夫蘭克-赫茲實驗報告.doc

夫蘭克-赫茲實驗一實驗簡介1914年弗蘭克(J.Frank)和赫茲(G.Hertz)用電子碰撞原子的方法，觀察測量到了汞的激發(fā)電位和電離電位（即著名的Frank-Hertz實驗）。從而證明了原子等級的存在，為早一年玻爾發(fā)表的原子結構理論的假說提供了有力的實驗證據(jù)。為此他們分享了1925年諾貝爾物理學獎金。他們的實驗方法至今仍是探索原子結構的重要手段之一。 本實驗應用Frank-Hertz實驗方法實現(xiàn)電子氣和Hg原子的碰撞，以觀察Hg原子能級躍遷并對Hg原子第一激發(fā)電位進行測量。通過本實驗可以深刻理解弗蘭克和赫茲在研究原子內部能量量子化方面所采用的實驗方法，了解電子與原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像。二實驗原理1. 電子與氣態(tài)Hg原子的碰撞利用電子和氣態(tài)Hg原子的碰撞時最容易實現(xiàn)Frank-Hertz實驗的方法。為實現(xiàn)原子從低能級En向高能級Em的躍遷，通?？梢酝ㄟ^吸收確定頻率的光子來實現(xiàn)。而光子的能量等于兩個能級之間的量差，即時，原子吸收全部光子能量，發(fā)生能級躍遷，式中h為普朗克常量。也可以通過使具有一定能量的電子和原子碰撞來實現(xiàn)。若與之碰撞的電子式在電勢差V的加速下，速度從零加到v,則當電子的能量滿足時，電子將全部能量交換給你原子。由于Em - En具有確定的值，對應的V就應該有確定的大小。當原子吸收電子能量從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時，相應的V稱為原子的第一激發(fā)電位（或中肯電子）。因此，第一激發(fā)電位V所對應的就是第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差。出于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將以輻射光子的形式釋放能量而自發(fā)躍遷到低能級。如果電子的能量達到原子電離的能量，會有電離發(fā)生，相應的V稱為原子的電離電位。其中61S0（0ev）為基態(tài)，63P1（4.9ev）為激發(fā)態(tài)，63P0（4.7ev）、63P2（5.47ev）為亞穩(wěn)態(tài)。當能量等于63P0，63P1和63P2與基態(tài)61S 0之間的能量差，即當能量為4.7 eV，4.9 eV和5.47 eV的電子與Hg原子碰撞時，將有最大的激發(fā)概率實現(xiàn)能級間躍遷。由躍遷的選擇定則，3P0，3P2到3P1的躍遷是禁戒躍遷，即激發(fā)到3P0和3P2的電子不會自發(fā)的以輻射出光子的形式躍遷到基態(tài)，從而有很長的壽命（達10-3s），63P0，63P2被稱為亞穩(wěn)態(tài)。3P1態(tài)電子可在10-810-7s內自發(fā)的輻射出波長為265.65nm的光子，處于（紫外波段）躍遷到基態(tài)61P1，且63P1是能量最低的激發(fā)態(tài)，通常被稱為第一激發(fā)態(tài)。2.實驗原理圖：F-H管內充汞，燈絲加熱K使其發(fā)射電子，G1控制通過G1的電子數(shù)目，G2加速電子，G1、G2空間較大，提供足夠的碰撞概率，A接收電子，AG2加一扼止電壓，使失去動能的電子不能到達，形成電流。 實驗曲線：1）電子和氣態(tài)Hg原子的碰撞過程及能量交換：碰撞過程和能量交換過程是在F-H管G1G2空間發(fā)生的，在加速場的作用下，電子獲得動能，在與原子的彈性碰撞中，電子總能量損失較小，在不斷的加速場作用下，電子的能量逐漸增大，就有可能與原子發(fā)生非彈性碰撞，使原子激發(fā)到高能態(tài)，電子失去相對應的能量，使其不能到達F-H管A極從而不能形成電流。當VG2K= 4.7V時，電子在G2，K空間獲得的能量等于4.7eV，與Hg原子發(fā)生非彈性碰撞時，使原子激發(fā)到63P0，此態(tài)較穩(wěn)定，不容易再產生躍遷，故不容易觀察到這個吸收，但電子可以越過這一區(qū)域繼續(xù)加速，使能量超過4.7eVVG2K = 4.9V時電子在G2附近獲得4.9eV的能量，并與Hg原子發(fā)生非彈性碰撞，但電子可以越過這一區(qū)域繼續(xù)加速，使能量超過4.7Ev,Hg原子將被使原子激發(fā)到63P1，引起共振吸收，電子速度幾乎為零，電子不能到達A，因而形成第一個吸收峰。同理，當VG2K = 9.8V時，電子與原子發(fā)生兩次非彈性碰撞，在G2處失去動能，形成第二個峰。當VG2K = 4.9nV時，將形成第n個峰。2）電子平均自由程對激發(fā)或電離的影響主要由爐溫決定，還與電子速度等有關。很短，相鄰兩次碰撞間獲得能量小，經(jīng)多次碰撞能量積累到第一激發(fā)態(tài)的能量時，能使原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，不容易激發(fā)到較高能態(tài)。很長，相鄰兩次碰撞間獲得能量大，激發(fā)到高能態(tài)的可能性很大，所以在很長，加速電壓較高，會使某些電子有足夠能量使原子激發(fā)到較高能態(tài)，甚至電離。3. Hg原子能級：Hg原子的能級圖如下圖所示：三實驗儀器F-H管電源組、掃描電源、微電流放大器、F-H管和溫控裝置四、實驗內容1. 熟悉實驗裝置，掌握實驗條件。2. 測量汞的第一激發(fā)電位。3. 測量汞的電離電位和高激發(fā)電位。五、實驗指導實驗重點：1. 理解電子和原子碰撞的理論及產生和觀察原子能級躍遷的方法2. 理解充汞蒸氣的四極F-H管的工作原理及實驗的線路設計圖。3. 能正確設置F-H管的工作條件，獲得F-H管的IP-VG2K 曲線，并正確進行數(shù)據(jù)處理，獲得Hg的第一激發(fā)電位和電離電位。實驗難點：1. 控制F-H管內氣化汞原子的密度，即控制管內的汞氣壓式實驗成敗的關鍵，應如何判斷和控制F-H管內的汞原子的密度。2.F-H管的各參數(shù)，包括燈絲電壓，UG1K，UG2K，UG2A對實驗的影響。操作指導一、主窗口在系統(tǒng)主界面上選擇“弗蘭克赫茲實驗”并單擊，即可進入本仿真實驗平臺，顯示平臺主窗口實驗室場景（圖1）。單擊鼠標右鍵可彈出實驗主菜單。二、主菜單1系統(tǒng)：分兩項子菜單。(1) 介紹。為本實驗的簡介。在菜單項上單擊鼠標可進入相應的項。(2) 退出。回到系統(tǒng)主界面。2實驗預習題。這是做實驗以前的思考題，要求學生在開始實驗之前閱讀和思考。3實驗原理。(1) 實驗原理。詳細敘述實驗的基本原理和操作中的注意事項。左上角為實驗電路圖，圖中藍色管狀物為FH管，Ug2k連續(xù)掃描，右邊的變阻器調節(jié)燈絲電壓Vf。右上角的兩個旋鈕分別調節(jié)溫度和Vf的大小，調節(jié)溫度和Vf到適當大小時，左下角顯示曲線圖，曲線隨溫度和Vf大小而改變。調節(jié)時可參看右下角的實驗原理說明。當溫度和Vf調節(jié)合適后在屏幕上按右鍵彈出選擇菜單，選擇實驗原理的演示模式。“實驗說明”為波形掃描，“手工調節(jié)”為缺省模式，顯示最后繪出的波形曲線。如圖6。 (2) 實驗的理想和經(jīng)典曲線（圖7）。 圖74第一電位的測量：(1) 選擇“實驗說明”，彈出實驗說明窗口。學生應仔細閱讀以保證實驗的順利進行。(2) 選擇“實驗過程”，開始實驗。在桌面的儀器上雙擊可彈出相應的儀器操作窗口。微電流儀是本實驗的中心，先打開微電流儀的操作面板。然后單擊桌面上的溫度調節(jié)器（在微電流儀右邊）彈出溫度調節(jié)窗口，窗口右邊為溫度調節(jié)旋鈕，左邊為示波器屏幕。調節(jié)溫度和Vf旋鈕，溫度和Vf數(shù)值在屏幕右上角的數(shù)碼管中顯示。將鼠標移到數(shù)碼管上，系統(tǒng)會提示是溫度還是Vf。當溫度和Vf未調節(jié)適當時，微電流儀的伏特表和安培表數(shù)碼管均為灰色。調節(jié)溫度和Vf到合適條件，安培表和伏特表數(shù)碼管均變?yōu)榧t色（表示可用）。 按下MODE按鈕開始實驗。有兩種實驗方法：A. 按下MODE按鈕，即自動模式。儀器自動增加Ug2k，對整個080V進行掃描。B. 關上MODE按鈕。手動調節(jié)Ug2k按鈕（在Vf按鈕下面），仔細觀察電流隨Ug2k的變化。這樣可以反復觀察同一段范圍內的電流變化。在數(shù)字伏特表和安培表上雙擊可彈出安培表表頭。如圖11。實驗過程中調好溫度和Vf就不應再動，否則結果會不準確。(3) 實驗數(shù)據(jù)。顯示實驗中所記錄的數(shù)據(jù)供分析。實驗注意事項1 先將溫度調到設定值，打開溫控電源，加溫指示燈on亮（綠色），到設定溫度off指示燈亮（紅色）。2 接線，將Vf，VG1K，VG2P，VG2K的旋鈕調到最小，到設定溫度后，再打開兩儀器電源，然后據(jù)爐上標簽設定各電壓值。用“手動”檔測曲線。3 實驗中若產生電離擊穿(電流迅速嚴重過載)，立即將加速電壓調到零，減小燈絲電壓，每次減小0.10.2V，重新測曲線。4加熱爐的爐溫較高，移動時應注意，導線不要掛在爐壁上。5 在實驗中注意爐溫及燈絲電壓的選擇。六、思考題1燈絲電壓的大小對Ip- VG2K曲線有何影響？答：峰值變大，峰谷也變大。2. 說明溫度對充汞Ip- VG2K管曲線影響的物理機制。 答：使得峰值減小。7、 數(shù)據(jù)記錄與處理 （1）實驗數(shù)據(jù)Ip000.2530.3860.4820.7231.0671.9691.256VG213.13.43.84.04.44.95.15.2Ip1.4021.4371.4991.3881.1280.8640.7800.7720.776VG25.55.66.06.57.07.57.87.98.0Ip0.7920.8230.8670.9961.5472.1473.0403.4963.558VG28.18.28.38.59.09.410.010.510.7Ip3.5593.5413.5043.0642.3681.7411.5411.5171.542VG210.810.911.011.512.012.512.813.013.1Ip1.5922.0502.8604.1315.2895.9185.9594.9353.978VG213.213.614.014.515.015.516.016.516.9Ip2.6992.3752.3332.4442.7114.3136.1317.7248.509VG217.517.818.018.218.419.019.520.020.5Ip